Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние исследований работы солнечных холодильных адсорбционных установок периодического действия 12
1.1 Общие положения 12
1.2 Анализ существующих теоретических и экспериментальных исследований 14
1.3 Модели адсорбционного равновесия 23
1.4 Выводы главе 1 30
ГЛАВА 2. Экспериментальное исследование работы солнечной холодильной установки адсорбционного типа 32
2.1 Расчет пропорций экспериментальной установки 32
2.2 Измерение солнечной радиации в г. Санто-Доминго 35
2.3 Описание экспериментальных установок 36
2.4 Результаты проведенных экспериментов 44
2.5 Построение зависимости, связывающей солнечную радиацию и температуру поверхности солнечного коллектора 52
2.6 Анализ экспериментальных результатов во время процесса адсорбции 57
2.7 Выводы к главе 2 67
ГЛАВА 3. Теоретическое описание и математическое моделирование процессов, происходящих в СХАТ 68
3.1 Описание физических процессов в СХАТ 68
3.2 Построение математической модели 71
3.3 Выбор граничных условий, планирование численного эксперимента 74
3.4 Дискретизация дифференциальных уравнений и построение программы 78
3.5 Проверка адекватности математической модели 83
3.6 Выводы к главе 3 85
ГЛАВА 4. Численные исследования влияния различных факторов на характеристики СХАТ 87
4.1 Исследование влияния свойств адсорбента 87
4.2 Исследование влияния солнечной радиации, дневных и ночных температур на характеристики установки 96
4.3 Исследование влияния толщины угля, внутреннего и внешнего диаметров коллектора на работу установки 103
4.4 Исследование влияния условий теплообмена в конденсаторе на работу СХАТ 112
4.5 Выводы к главе 4 114
ГЛАВА 5. Метод расчета СХАТ 115
5.1 Последовательность расчета 115
5.2 Пример расчета СХАТ 118
5.3 Выводы к главе 5 123
Выводы по результатам диссертационной работы 124
Список литературы 1
- Анализ существующих теоретических и экспериментальных исследований
- Измерение солнечной радиации в г. Санто-Доминго
- Выбор граничных условий, планирование численного эксперимента
- Исследование влияния солнечной радиации, дневных и ночных температур на характеристики установки
Введение к работе
Актуальность работы. Во многих странах мира существуют регионы, неподключенные к сети электроснабжения из-за экономических факторов или топографических особенностей местности. В этих условиях актуальной является разработка автономных холодильных установок, использующих источники возобновляемой энергии, которые активно разрабатываются в последние десятилетия.
Эти установки обладают рядом преимуществ, таких как простота, низкая стоимость, экологическая безопасность, возможность использования в качестве источника теплоты солнечной энергии. На сегодняшний день физические процессы, происходящие в элементах таких установок, не являются достаточно изученными. Также недостаточно исследовано влияние климатических факторов, конструктивных параметров установок, характеристик применяемых сорбентов на эффективность их работы. Расчетно-экспериментальные исследования и разработка метода расчета солнечного холодильника адсорбционного типа (СХАТ) позволят предсказывать и совершенствовать технические характеристики таких установок, а также повысить их экономическую эффективность.
Объектом исследования является автономный солнечный холодильник адсорбционного типа (СХАТ) периодического действия.
Целью работы является совершенствование характеристик и разработка метода расчета СХАТ периодического действия, использующего рабочую пару «активированный уголь-метанол».
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие научно-технические задачи:
Проведен анализ состояния исследований в данной области, изучены подходы к описанию и существующие математические модели физических процессов, происходящих в установках данного типа.
Произведено экспериментальное исследование солнечной почасовой радиации в г. Санто-Доминго, необходимое для проектирования СХАТ, предназначенных для работы в данном регионе.
Проведена серия испытаний адсорбционной способности различных марок активированного угля относительно метанола, и определены их параметры в уравнении Дубинина-Астахова.
Разработан ряд действующих образцов СХАТ, и проведено экспериментальное исследование их работы с различными типами углей в различных климатических условиях.
Разработана математическая модель процессов тепло- и массообмена, протекающих в адсорбере СХАТ, и проведена проверка ее адекватности.
Проведены численные исследования работы солнечной адсорбционной холодильной установки с различными конструктивными параметрами при различных характеристиках активированного угля для разных климатических условий.
Разработан метод расчета СХАТ периодического действия, использующего рабочую пару «активированный уголь-метанол».
4 Научная новизна.
-
Получены экспериментальные результаты, показывающие влияние характеристик активированного угля и климатических условий на холодопроизводительность установки.
-
Экспериментально показано, что адсорбционная способность всех испытанных в экспериментах семи марок активированного угля относительно метанола подчиняется уравнению Дубинина-Астахова на большей части изотермы адсорбции.
-
Разработана математическая модель адсорбера СХАТ, позволяющая учитывать геометрию адсорбера и сорбционные свойства пары «сорбент-поглощаемое вещество» при расчете количества адсорбированного метанола.
-
Впервые получены численные результаты, показывающие влияние толщины слоя активированного угля на удельную холодопроизводительность установки.
-
Впервые получены характеристики почасовой солнечной радиации в г.
Санто-Доминго. Практическая ценность.
-
Результаты экспериментальных исследований СХАТ могут быть использованы для разработки и верификации новых математических моделей подобных установок.
-
Разработанный метод расчета СХАТ позволяет определять ее конструктивные характеристики и массу активированного угля для заданной холодопроизводительности при известных климатических условиях.
-
Полученные экспериментальным путем свойства семи марок активированных углей относительно метанола могут быть использованы для расчета и проектирования сорбционных установок.
Личный вклад соискателя. Соискателем лично:
-
Создано несколько экспериментальных прототипов СХАТ, продемонстрирована их устойчивая работа в течение длительного периода и проведены экспериментальные исследования их работы.
-
Разработана математическая модель физических процессов, происходящих в коллекторе СХАТ, и осуществлена ее верификация.
-
Проведены численные исследования влияния параметров активированного угля, климатических параметров и толщины слоя активированного угля на холодопроизводительность СХАТ.
-
Экспериментально определены адсорбционные свойства семи марок активированного угля по отношению к метанолу.
-
Разработан метод расчета СХАТ. Методология и метод исследования.
В диссертационной работе использовалось сочетание экспериментального и расчетно-теоретического методов исследования процессов переноса теплоты и массы в СХАТ. Экспериментальный метод применен на этапах:
доказательства работоспособности СХАТ, подтверждения ее устойчивой работы в течение длительного времени и повторяемости ее характеристик;
построения математической модели и определения ряда ее параметров;
подтверждения адекватности модели.
5 Метод численно-теоретических исследований применялся для анализа влияния различных факторов на холодопроизводительность СХАТ и разработки метода ее расчета. Автор защищает:
-
Результаты экспериментальных исследований характеристик СХАТ, проведенных на установках, отличающихся размерами, параметрами сорбентов и работающих в различных климатических условиях.
-
Полученные в результате экспериментов сорбционные свойства семи марок активированного угля относительно метанола.
-
Математическую модель физических процессов, происходящих в адсорбере солнечной холодильной установки адсорбционного типа.
-
Полученные в результате численного эксперимента данные о влиянии геометрических параметров, свойств угля и климатических условий на характеристики установки.
-
Разработанный метод расчета СХАТ.
-
Полученные на солориметрической установке нового типа данные о солнечной радиации в г. Санто-Доминго.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность полученных в работе результатов подтверждается многократной воспроизводимостью экспериментальных данных, корректным применением фундаментальных физических законов, положенных в основу математической модели, удовлетворительными результатами сопоставления расчетных и экспериментальных данных, полученных автором.
Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на следующих научных конференциях: IV, VII, VIII, X, XI Congreso Multidisciplinario de Investigation Cientifica, Santo Domingo, 2008, 2011, 2012, 2014, 2015; XXXIII Reunion de Trabajo de la Asociacion de Energias Renovables у Ambiente (ASADES-2010), Cafayate, Salta, Argentina, 2010; V Российская Национальная конференция по теплообмену, Москва, 2010; 14 Convencion cientifica de ingenieria у arquitectura Cujae, Habana, Cuba, 2008; II Congreso Internacional de Fisica Santo Domingo, 2007; VI Международная школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика», Москва, 2012; Международная научно-техническая конференция «Проблемы ресурсо- и энергосберегающих технологий в промышленности и АПК» (ПРЭТ-2014), Иваново, 2014.
Публикации. По результатам работы были опубликованы тринадцать научных трудов, два из которых в журналах, входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ, и один зарубежный журнал, индексируемый в базе данных WEB of Science.
Объём работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 79 наименований. Общий объем диссертации составляет 132 страницы машинописного текста, включая рисунки, таблицы.
Анализ существующих теоретических и экспериментальных исследований
В существующих абсорбционных холодильных установках, как правило, используются в качестве рабочей пары бромистый литий-вода или аммиак-вода. В настоящее время абсорбционные бромистолитиевые холодильные машины выпускаются ведущими производителями климатического оборудования, такими как Carrier, LG, Termax, World Energy и другими. Эти установки используют смешанные источники энергии (электричество, вторичное тепло, солнечную энергию), предназначены в основном для отбора и удаления избыточного тепла в системах кондиционирования воздуха, и поэтому не являются автономными. К тому же сами установки и бромистый литий отличаются высокой стоимостью.
Аммиачные холодильные установки, такие как упомянутый выше газовый холодильник, более экономны и могут работать в автономном режиме при полной независимости от электроэнергии. Однако аммиачные холодильные установки работают при высоких давлениях, что может привести к утечке аммиака в окружающую среду и вызвать ее загрязнение, из-за токсичности аммиака.
С 80-х годов прошлого века растет интерес к применению явления адсорбции в процессах генерации холода. Производство холодильных установок адсорбционного типа не требует высоких технологий: в них нет движущихся частей, не используется электричество, в большинстве своем они автономны. Источником энергии могут быть солнце, вторичное тепло или энергия сжигания газа. Разработка эффективных солнечных холодильников адсорбционного типа (СХАТ) привлекает внимание многих исследователей в связи с перспективностью практического применения, прежде всего, у потребителей, не подключенных к системе централизованного электроснабжения.
Принцип действия СХАТ Солнечный холодильник адсорбционного типа состоит из трех составных частей: солнечный адсорбер (генератор), конденсатор, испаритель (Рисунок 1.2). Рисунок 1.2. Схема СХАТ
Испаритель помещен в изолированную холодильную камеру. Работа СХАТ является периодической, и принцип его действия основан на зависимости адсорбционных свойств адсорбента от температуры. В течение светового дня адсорбент нагревается, уменьшая свои адсорбционные свойства, адсорбат десорбируется, поступая в газовом состоянии в конденсатор. Во время десорбции давление пара адсорбата растет до тех пор, пока не достигнет давления насыщения, соответствующего температуре конденсатора. После этого происходит смена фазы: адсорбат переходит из газообразного состояния в жидкое при постоянном давлении. Теплота конденсации отдается окружающей среде, а сконденсированный адсорбат под действием силы тяжести поступает в испаритель. На этом этапе происходит регенерация адсорбента.
При снижении солнечной активности температура солнечного коллектора, а с ним и адсорбента, начинает снижаться, одновременно снижается давление во всей системе. Адсорбент восстанавливает свои адсорбционные качества и начинается процесс адсорбции, в течение которого пар адсорбата поступает в охлаждаемый наружным воздухом адсорбер, где поглощается твердым сорбентом. Процесс генерации холода происходит за счет испарения сорбата в холодильной камере и продолжается до тех пор, пока давление насыщенных паров сорбата в испарителе не сравняется с равновесным давлением его паров над сорбентом, зависящим от их температуры и количества поглощенного сорбата. Процессы генерации холода и регенерации сорбента циклически повторяются.
Выбор рабочей пары В установках адсорбционного типа могут быть использованы различные пары адсорбентов и адсорбатов, такие как цеолит-вода, силикагель-вода, активированный уголь-метанол, активированный уголь-аммиак [11], [12]. Рабочие пары должны отвечать определенным требованиям, таким как: 1) высокая адсорбционная способность, 2) значительная изменяемость адсорбционной способности с изменением температуры, 3) высокая теплота фазового перехода. Tchernev [13] анализировал цеолиты природного происхождения, способные адсорбировать и десорбировать значительные количества водяных паров при изменении их температуры, и изготовил экспериментальную солнечную холодильную установку [14], в которой помещается 50 кг цеолита на каждый квадратный метр площади адсорбера. Во время экспериментов холодильный коэффициент установки достигал значения 0.15. Авторы [15] в экспериментах с солнечной адсорбционной установкой, использующей синтетический цеолит, получили значения холодильного коэффициента в диапазоне 0.04 — 0.14, в то время как Grenier Р. и др. [16] при работе подобной экспериментальной установки приводят холодильный коэффициент 0.086 при минимальной температуре в испарителе 2.5С. В системах с рабочей парой цеолит-вода температура адсорбера во время процесса десорбции должна быть выше 200С, а температура адсорбции должна быть ниже 80С, что приводит к необходимости использования более сложных технологий при разработке и изготовлении адсорбера [12]. Низкое давление паров воды делает процесс адсорбции медленным. Адсорбционные характеристики пары силикагель-вода были изучены авторами [17]. Адсорбционные холодильные установки с парами цеолит-вода и силикагель-вода используются преимущественно в системах кондиционирования воздуха, так как в этих системах вода является адсорбатом, и поэтому температура испарения является относительно высокой, например, 4С [18] и 4-7С [19].
При использовании системы с рабочей парой активированный уголь-аммиак при процессе десорбции поддерживается давление порядка 1.6 МПа. С другой стороны, высокое давление увеличивает массообмен и укорачивает время процесса адсорбции. В прошлом адсорбционные установки с парой активированный уголь-аммиак не находили широкого практического применения в основном из-за токсичности аммиака и его коррозионных свойств по отношению к медным материалам [12]. В последнее время системы с использованием активированного угля и аммиака привлекают внимание исследователей благодаря высокой охлаждающей способности аммиака. Более детально упомянутые системы рассматриваются в работах [20 - 31].
Пара активированный уголь-метанол используется в адсорбционных системах наиболее широко благодаря большой циклической адсорбционной способности, низкой температуре десорбции, низкой энергии адсорбции и высокой теплоте фазового перехода метанола из жидкого состояния в газообразное. Авторы [32], [11] утверждают, что холодильный коэффициент (СОР) повышается при использовании активированного угля-метанола в качестве рабочей пары, а авторы [33] замечают, что при использовании активированного угля в виде волокна холодильный коэффициент увеличивается на 20 - 30%, а циклическая адсорбционная способность в 2 - 3 раза.
Измерение солнечной радиации в г. Санто-Доминго
Переменная Хщ в уравнении Дубинина—Астахова представляет собой массу адсорбированного метанола после достижения равновесия между адсорбатом и адсорбентом (количество адсорбированного метанола всегда приводится на единицу массы активированного угля); Х0 — максимальное количество метанола, которое может быть адсорбировано данным типом активированного угля; Т — температура активированного угля; Р0 — давление насыщения метанола, соответствующее температуре активированного угля; /? — коэффициент аффинности, зависящий от характеристик активированного угля, это значение берется из литературы: /? =1.12 10"6 (К-2); Р — давление метанола в системе. Во время процесса десорбции давление в системе определяется температурой конденсатора, другими словами, оно равно давлению насыщения метанола при температуре конденсатора (30С). Принимается усредненное значение для величины Х0, найденное в литературе, для наиболее распространенных типов активированного угля - 0.316 кг/кг.
Сначала определяется количество метанола, оставшегося в порах активированного угля по истечению процесса десорбции (после того, как солнечный коллектор находился 3-4 часа при температуре 100С). Р — давление метанола в системе, во время процесса десорбции оно определяется температурой конденсатора, т.е. равно давлению насыщения метанола при температуре конденсатора (30С). Рассчитывается Хщ по указанному уравнению, и получается значение 0.0930.
Вместе с тем, давление метанола во время процесса адсорбции определяется температурой в испарителе (приблизительно 0С). Предполагая, что температура угля во время процесса адсорбции равна 30С (условия г. Санто-Доминго), рассчитывается количество адсорбированного метанола активированным углем во время процесса адсорбции (Таблица 2.1), и получается значение 0.2401. Количество циркулирующего метанола в системе определяется разницей между дневным (минимальным) и ночным (максимальным) количеством адсорбированного углем метанола, в этом случае на каждый килограмм активированного угля приходится 0.1471 килограмма метанола.
Чтобы выяснить, как интенсивность солнечной радиации влияет на работу солнечного холодильника, исследовательской группой, в состав которой входил автор, был разработан и собран солориметр новой конструкции и низкой стоимости. Принцип действия солориметра основан на измерении теплового потока между медным диском, получающим поток солнечной радиации, и цилиндрической алюминиевой базой. Тепловой поток отводится по стальному стержню, при этом в двух торцах стержня измеряется температура датчиками DS1624 с точностью ±0.3С. В работах исследователей [59] и [60] подробно описывается принцип действия солориметра, а в работе [61] сравниваются данные, полученных экспериментальным солориметром, с теоретическими кривыми, полученными по модели Хоттеля [62], и с кривыми, представленными метеорологическим центром Аргентины.
Отмечается, что систематические измерения почасовой солнечной радиации в г. Санто-Доминго (Рисунок 2.1) были проведены впервые и в дальнейшем использованы в расчетных исследованиях. Для установления зависимости между интенсивностью солнечного излучения и эффективностью работы СХАТ было проведено исследование (сравнение) кривых солнечной радиации, измеренной в непосредственной близости от установок (в Аргентине и в Доминикане), и кривых температуры, измеренной на поверхности адсорбера.
Исследователями было построено восемь экспериментальных прототипов СХАТ, автор непосредственно принимал участие в создании четырех экспериментальных образцов. Наиболее полные систематические результаты были получены на двух образцах, которые подробно описаны в настоящей работе.
Из всех прототипов, построенных исследовательской группой выбраны два, которые отличаются между собой размерами и количеством помещенного в адсорбере активированного угля, что является одним из параметров, определяющих максимальное количество холода, которое можно произвести на СХАТ. Каждый из двух прототипов был построен как в Доминиканской Республике, так и в Аргентине [63]. Для более удобного дифференцирования прототипов между собой авторы дали им имена собственные: установка 1 — Cholita в Аргентине (ее аналог в Доминиканской Республике остался без имени) и установка 2 — Chola в Аргентине и Cholada в Доминикане. Характеристики двух установок и условия проведения экспериментов представлены в Таблице 2.2. Доминиканский и Аргентинский варианты установки 1 схожи по геометрический параметрам, но имеют некоторые различия.
Что касается установки 2, замечено, что доминиканский и аргентинский (Cholada и Chola соответственно) прототипы являются абсолютными аналогами в геометрических характеристиках, но в них помещены разные активированные угли, и они эксплуатируются в разных климатических условиях. Результаты экспериментов, проведенных в обеих установках, подробно представлены ниже.
Солнечный коллектор представляет собой цилиндр, наполненный активированным углем, с некоторым пространством, оставленном в центре цилиндра для движения метанола. Цилиндр помещен в солнечный концентратор, общая площадь собирающей поверхности 0.6 м . Длина адсорбера 1 м, внешний диаметр 0.10 м, внутренний диаметр 0.03 м; внутри находится 3 кг активированного угля. Более подробно этот прототип экспериментальной установки описан в работе исследовательской группы [63].
На рисунке 2.4 изображен цилиндр адсорбера, помещенного в солнечный концентратор, а на рисунке 2.5 — конденсатор и резервуар, служащий испарителем. В течение экспериментов в стеклянной трубочке, соединенной с испарителем, наблюдался уровень метанола, по которому определялось общее количество метанола, находящегося в испарителе.
В 2010 году исследовательской группой были построены два одинаковых прототипа СХАТ, расположенные в разных климатических условиях (в Аргентине и в Доминикане). На рисунке 2.6 представлена подробная схема установки 2, на Рисунке 2.7 представлена фотография прототипа, помещенного на крыше Технологического Института Санто-Доминго (19 северной широты), а на Рисунке 2.8 — аналогичный прототип, установленный на территории Национального Университета провинции Генерал Сармьенто, в окрестностях г. Буэнос-Айреса (34 южной широты).
Выбор граничных условий, планирование численного эксперимента
До начала процесса нагревания солнечного коллектора (до восхода солнца) давление в системе приближается к давлению насыщения метанола при температуре испарителя, а температура солнечного коллектора равна температуре окружающей среды. В момент восхода солнца заканчивается процесс адсорбции метанола активированным углем, и начинается медленное нагревание солнечного коллектора.
Этап регенерации активированного угля наступает в момент, когда солнечный коллектор начинает нагреваться. Сначала повышается температура в слоях угля, прилегающих к внешней стенке цилиндра солнечного коллектора. Так как более высокую температуру имеют те слои угля, что ближе к внешней стенке цилиндра (г = гъ), то именно в этих слоях угля давление паров метанола превышает давление в слоях, более удаленных от внешней стенки цилиндра. Благодаря такому распределению давлений газообразный метанол движется в радиальном направлении в сторону внутреннего полого цилиндра, в котором поддерживается давление, близкое к давлению насыщения метанола, соответствующему температуре конденсатора.
Этап регенерации адсорбента происходит в два шага. Первый шаг — изостерическое нагревание (линия АБ на Рисунке 1.3). В течение этого времени давление во всей системе растет до тех пор, пока не достигнет значения давления насыщения метанола, соответствующего температуре конденсатора. В момент, когда давление в системе достигает давления насыщения метанола при температуре конденсатора или несколько превышает его, в конденсаторе начинается процесс фазового перехода метанола из газообразного состояния в жидкое, а в солнечном коллекторе начинается второй шаг регенерации адсорбента — собственно десорбция. Процесс фазового перехода происходит при постоянном давлении, если правильно рассчитан конденсатор. Этот процесс по времени совпадает с периодом наибольшей солнечной активности и, следовательно, в течение этого времени температура солнечного коллектора самая высокая. При снижении солнечной активности уменьшается количество метанола, десорбированного активированным углем, это сопровождается процессом снижения давления в системе. После достаточного снижения температуры солнечного коллектора активированный уголь восстанавливает свои адсорбционные качества и начинает поглощать метанол. В этот момент начинается фаза производства холода.
В работе была сформулирована математическая модель процессов тепло- и массопереноса в солнечном коллекторе холодильника адсорбционного типа. Солнечный коллектор представляет собой цилиндр с внешним диаметром db, внутренним диаметром da и длиной L. Пространство между двумя цилиндрами заполнено активированным углем. Выбранный контрольный объем представляет собой полый цилиндр радиусом г, толщиной стенки dr и длинной L (Рисунок 1.1).
Предполагается, что все процессы протекают одинаково по всей длине цилиндра (измерение z) и по окружности (измерение в), изменения происходят только в радиальном направлении г. Таким образом, уравнения балансов записаны в цилиндрических координатах с одной переменной г.
Модель включает следующие уравнения и расчетные соотношения. Уравнение сохранения массы метанола будет иметь следующий вид: где є-пористость, м /м ; С, -концентрация паров метанола, кг/м ; рс -плотность угля, кг/мл; X -количество метанола, адсорбированного углем, кг/кг; V — скорость газа, м/с; 7" — температура активированного угля, К; ке// коэффициент эффективной теплопроводности угля, Вт/(мК); і3-давление газа, Па; Psat - давление газа в состоянии насыщения, соответствующее температуре угля, Па; Uads — энергия адсорбции, Дж/кг; Срс - удельная теплоемкость угля, Дж/(кгК); CPg -удельная теплоемкость газа, Дж/(кгК); Cmet -удельная теплоемкость метанола, Дж/(кгК); D0 - коэффициент диффузии; ц коэффициент динамической вязкости, Па-с; KD — коэффициент в законе Дарси.
Таким образом, имеется система уравнений (3.2-3.7) с шестью неизвестными Р, Т, X, V, Cg, Xeq. Для решения этой системы уравнений используется численный метод контрольного объема.
Исследование влияния солнечной радиации, дневных и ночных температур на характеристики установки
Наблюдая результаты, представленные в Таблице 4.3 и на Рисунке 4.5, отмечается, что при повышении температуры конденсатора в дневное время на 20С, количество циркулирующего метанола - значение АХ - уменьшается для всех исследуемых углей. Это уменьшение для угля Cholita составляет примерно 30%, для угля CNR115 примерно 21%, а для угля MaxSorb III примерно 7%. td Это снижение циркулирующего метанола связано с увеличением минимального количества метанола Xmin„ оставшегося в активированном угле при достижении равновесия при указанных условиях. td В таблице 4.4 показаны результаты расчетов равновесных состояний при описанных выше условиях. При этом изменялась дневная температура солнечного коллектора в диапазоне от Гсо/ = 80С до Tcoi = 100С. На Рисунке 4.6 представлены графики зависимости АХ =f(Tcoj) для трех различных активированных углей. td 101 td td 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100 td Температура, С td Рисунок 4.6. Зависимость количества циркулирующего метанола от дневной td температуры коллектора td Наблюдается, что при повышении дневной температуры солнечного коллектора на 20 С количество оставшегося в каждом представленном угле td 102 td метанола, Xmin, уменьшается, и в связи с этим, увеличивается количество циркулирующего метанола АХ. Это увеличение составляет для угля Cholita примерно 30%, для угля CNR115 примерно 20%, а для угля MaxSorb III примерно 5%. td Результаты расчетов равновесных состояний, представленных в Таблице 4.5, соответствуют условиям, при которых изменение было выполнено для ночных температур солнечного коллектора в диапазоне Тсоі от 10С до 30С с интервалом в 2 С, а на Рисунке 4.7 представлены графики зависимости количества циркулирующего в системе метанола от ночной температуры коллектора АХ= ДТСоі), полученной для трех вышеупомянутых углей. td Наблюдается следующее поведение количества циркулирующего метанола: td при повышении ночной температуры солнечного коллектора значение АХ td значительно уменьшается для всех исследуемых углей. Это снижение для угля td Cholita и для угля CNR115 составляет примерно 50 %, а для угля MaxSorb III — td примерно 61 %. td Таблица 4.5 Равновесные состояния активированных углей при различных ночных td температурах коллектора
Зависимость количества циркулирующего метанола от ночной td температуры коллектора td Снижение величины АХ обусловлено снижением величины Хтах, которая представляет собой количество адсорбированного углем метанола при достижении равновесия, соответствующего ночным условиям. Таким образом, СХАТ наиболее выгодно применять в условиях низких ночных температур. td 4.3 Исследование влияния толщины угля, внутреннего и внешнего диаметров коллектора на работу установки td При оценке влияния геометрии солнечного коллектора на работу СХАТ в первую очередь должен вставать вопрос о времени прогрева толщины слоя активированного угля. Другими словами, важно знать успевает конкретный активированный уголь при определенных граничных условиях достичь равновесия с метанолом или нет. И второй вопрос, связанный с геометрическими пропорциями солнечного коллектора — это какое количество угля и, соответственно, циркулирующего в системе метанола, имеется на единицу длины цилиндра солнечного коллектора. По математической модели физических процессов, происходящих в солнечном адсорбере, разработанной автором, проводились численные расчеты параметров СХАТ для нестационарных состояний. Расчеты производились для параметров активированных углей td 104 td MaxSorb III, CNR115, Cholita и AguaSorb. Изменение толщины слоя угля происходило за счет изменения внутреннего радиуса цилиндра солнечного коллектора (гд) при неизменном внешнем радиусе (гь). Каждому выбранному размеру было присвоено имя собственное для более удобного обращения с большим количеством численных результатов: td Choladara = 0.015м, гъ = 0.065м; td Choladal га = 0.025м, гъ = 0.065м; td Cholada2 га= 0.035м, гъ = 0.065м. td На рисунках 4.8 - 4.10 приведены результаты численных экспериментов для трех значительно отличающихся по адсорбционным характеристикам углей. Все эти расчеты выполнены при одинаковых граничных условиях для температуры на внешней стенки цилиндра и для давления внутри канала, а именно: td T=f(t), при этом максимальная температура Ттах= 90С; td Pr = f(t), максимальное давление Ргтах= 50 кПа, что соответствует
: Распределение концентрации метанола в слое угля для углей td MaxSorb III и Cholita td Для угля с худшими адсорбционными свойствами (Cholital) расчеты показывают, что на начальных этапах десорбции предпочтительнее будет адсорбер с малой толщиной слоя угля, а после 6 часов работы - адсорбер с большей толщиной слоя. Это объясняется наличием двух противоположных td 107 td тенденций - количество первоначально поглощенного углем метанола тем больше, чем выше толщина слоя, а требуемое время прогрева тем меньше, чем тоньше слой. td Также замечено, что при выборе толщины слоя угля в солнечном коллекторе надо учитывать как сорбционные качества угля, так и климатические условия, в которых предполагается использование установки. На рисунках 4.11 и 4.12 представлены распределения температуры и концентрации метанола в слое адсорбента для углей Cholita и MaxSorb III. Наблюдаем, что в угле Cholita, который обладает худшими адсорбционными свойствами, чем уголь MaxSorblll (Таблица 4.1) достаточно быстро устанавливается стационарный режим, и процесс десорбции прекращается раньше, до начала вероятного снижения солнечной радиации в реальном процессе. td Для исследования влияния температуры поверхности солнечного коллектора на количество десорбированного метанола были проведены численные эксперименты для следующих граничных условий на внешней стенке и в канале соответственно: td Т =f(t), при этом максимальная температура Ттах= 100С; td Pr =f(t), максимальное давление Prmax = 50 кПа, что соответствует давлению насыщения метанола при температуре Ттах = 47 С. td Эти численные эксперименты проводились для активированного угля марки MaxSorb III, для трех различных геометрий коллектора. На рисунке 4.13 приводятся результаты расчетов. Наблюдая приведенные графики, замечено, что при увеличении температуры стенки коллектора растет количество десорбированного метанола (примерно на 20 %), при этом большее количество метанола соответствует меньшей толщине слоя угля. Используя результаты указанных расчетов, строятся графики распределений температуры и концентрации метанола в активированном угле (Рисунки 4.14 и 4.15) и анализируются совместно с графиками, представленными на Рисунке 4.13. td